CMOS模拟集成电路实验
CMOS模拟集成电路设计是微电子专业的核心科目，为本科生不管是掌握学习的内容，或者是进一步的深造打下了坚实的基础。在此同时，虽然越来越多的信号处理已经转移到了数字系统，可是，在那些拥有多种性能的高端系统中，模拟电路从根本上被证明了是必不可少的。 HM000083
随着集成电路的高速发展，模拟集成电路越来越受到重视。CMOS模拟集成电路设计在越来越多的高校得到开设。但是因为师资的缺乏使得这门课的效果不是很理想。当然，这门课本身是十分复杂性的。模电的知识点本身就很多，而且在设计过程中需要对知识点有一定深刻的理解才可以运用，单纯的课堂实验无法使学生熟练的掌握。上面所说的这些特点，决定了这门课的教与学都需要很多的经验。
在此背景下，本设计依托Cadence软件，设计一些简单的教学实验。
1.针对MOS IV特性的问题，为了使学生更好的理解MOS IV特性，设计了MOS IV曲线的仿真，让学生更加了解MOS IV特性。
2.针对反相器电路的问题，为了使学生更好的理解反相器电路特性，设计了反相器电路的仿真，让学生更加了解反相器的直流特性和瞬态特性。
3.针对环形振荡器特性的问题，为了使学生更好的理解环形振荡器的特性，设计了环形振荡器的仿真，让学生更加了解环形振荡器的特性。
4.针对共源放大器特性的问题，为了使学生更好的理解共源放大器特性，设计了共源放大器的仿真，让学生更加了解共源放大器特性。
5.针对Wildar电流源的问题，为了使学生更好的理解Wildar电流源，设计了Wildar电流源的仿真，让学生更加了解Wildar电流源特性。
本毕业设计针对一些基本的内容，设计了几个实验。对于本科生在理解知识点有一定的帮助，上课的内容可以及时的得到巩固，并且学生可以拓展自己的实际设计能力。对将来的发展有进一步的提升。
【关键词】基本指令,Cadence；模拟集成电路设计；反相器；环形振荡器；共源放大器； Wildar电流源
第二章 CMOS模拟集成电路设计的
基础实验
本章是有关CMOS模拟集成电路电路设计的器件基础，以基于MOS管和反相器设计一系列实验。先是将研究了集成电路设计的基本单元MOS管的IV特性，紧接着对反相器和反相器组成的环形振荡器的特性进行了探索。
2.1 基本指令简介
命令 作用
1. ls: 检视目录下所有文件。
2. clear: 清除屏幕。
3. pwd: 显示目前工作的目录。
4. cd： 改变目录。
5. rm： 删除文件。
6. cp： 复制文件。
7. mv： 移动文件。
8. mkdir： 建立目录。
9. rmdir： 删除目录。
10. find： 寻找文件。
11. passwd： 改变密码。
12. chfn： 改变全名。
13. finger： 显示使用者信息。
14. rusers： 显示所有使用者。
15. chmod： 改变文件属性（读、写）。
16. df： 查阅硬盘空间
17. du： 查阅文件占用空间
18. kill： 杀进程
19. tar： 压缩解压缩。压缩tar cvf 目录名，解压缩tar xvf 文件名
2.2 MOS的IV曲线仿真
2.2.1 MOS的IV特性
阙值电压：考虑如图2.1(a)所示的NFET当栅压Vg从OV上升时会发生什么情况?由于栅和衬底形成一个电容器，所以当v。;逐渐升高时，p衬底中的空穴被赶离栅区而留下负离子以镜像栅上的电荷。换句话说，就是形成了一个耗尽层(图2.1(b))。在这种情况下，由于没有载流子而无电流流动。
图2.1 (a)由栅压控制的MOSFET; (b)耗尽区的形成;(c)反型的开始;(d)反型层的形成
随着Vg的增加，耗尽层宽度和氧化物与硅界而处的电势也增加。从某种意义上讲，这样的结构类似两个电容的串联:栅氧化层电容和耗尽区电容(图)2.1(c)。当界面电势达到足够高时，电子便从源流向界而并最终流到漏端。这时，源和漏之间的栅氧下就形成载流子“沟道”，同时晶体管“导通”。也称之为界面“反型”。形成沟道所对应的Vg称为“阈值电压”，VTH。如果Vg一步升高，则耗尽区的电荷保持相对恒定，而沟道电荷密度继续增加，导致源漏电流增加。
实际上，导通现象是栅电压的增函数，这就使得明确地定义VTH比较困难。在半导体物理学中，NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于p型衬底的多子浓度时的栅压。在实际中，由上式得到的“本征”闺值电压可能不适用于电路设计，举例来说，Vth，因而vg≥O时器件不会关断。因此，在器件制造过程中通常通过向沟道区注人杂质来调整阂值电压，其实质是改变氧化层界面附近衬底的掺杂浓度。
IV特性的推导：为了得到MOSFET的漏电流与其端电压之间的关系，做两点分析。首先，分析一个载有电流I的半导体棒。如果沿电流方向的电荷密度是Qd（C/m)，电荷移动速度是v(m/s)，那么 (2.1)
为了理解为什么如此，测量单位时间通过半导体截面的总电荷数。若电荷速度为。，则棒中距离截面。米长度内的所有电荷在一秒内必须通过截面。由于电荷密度是Qd，v米内的总电荷数就是Qdv。这个辅助定理有助于分析半导体器件。
其次，考虑一个源漏都接地的NFET。反型层中的电荷密度为多少?因为假设VGS =Vth时开始反型，那么由栅氧化层电容引起的反型电荷密度正比于VGS-VTH。当VGS≥VTH时，栅电荷必定会被沟道电荷所镜像，从而产生一个均匀的沟道电荷密度（单位长度电荷)，其值等于 (2.2)
式中，Cox与W相乘表示单位长度的总电容。
由于ID沿沟道方向是常数，所以(2 .3)
注意.这里L是有效沟道长度。
图2.3给出了在不同的VGS时根据式(2.3)得出的抛物线，表示了器件的“电流能力”随VGS“的增大而增加。通过计算VID/VGS,每条抛物线的极值发生在Vds =VGS-VTH且峰值电流为
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 模拟集成电路的基本概念 1
1.1 引言 1
1.2模拟集成电路设计的发展背景及其历史 1
1.3 模拟集成电路设计的概述 3
1.3.1模拟集成电路设计的现状和重要性 3
1.3.2模拟集成电路设计教学的难度 4
1.4论文安排 4
1.5本章小结 5
第二章CMOS模拟集成电路设计的基础实验 6
2.1 基本指令简介 6
2.2 MOS的IV曲线仿真 6
2.2.1 MOS的IV特性 7
2.2.2 实验的设计方案 9
2.2.3 MOS的IV曲线实验的步骤和实验仿真的过程 11
2.3 Inverter 瞬态和传输特性的仿真 14
2.3.1 关于Inverter 瞬态和传输特性的基本概念 14
2.3.2 实验的设计方案 16
2.3.3 实验软件运用和仿真结果 17
2.4 inverter 环形振荡器进行瞬态仿真 20
2.4.1环形振荡器 20
2.4.2 环形振荡器仿真实验的设计 21
2.4.3实验结果和软件的使用 21
第三章 集成电路相关的课程设计仿真 25
3.1 共源放大器的设计与仿真 25
3.1.1 共源放大器的基本概念 25
3.1.2 实验的设计思路 26
3.1.3 实验的步骤以及软件运用以及结果 28
3.2 Wildar电流源的设计与仿真 31
3.2.1 Wildar电流源的原理和基本特性: 31
3.2.2 仿真实验的设计思路 31
3.2.3 实验步骤和结果 32
3.2.4实验改进 33
第四章 总结与展望 34
4.1总结 34
4.2展望 34
致 谢 35
参考文献 36
随着集成电路的高速发展，模拟集成电路越来越受到重视。CMOS模拟集成电路设计在越来越多的高校得到开设。但是因为师资的缺乏使得这门课的效果不是很理想。当然，这门课本身是十分复杂性的。模电的知识点本身就很多，而且在设计过程中需要对知识点有一定深刻的理解才可以运用，单纯的课堂实验无法使学生熟练的掌握。上面所说的这些特点，决定了这门课的教与学都需要很多的经验。
在此背景下，本设计依托Cadence软件，设计一些简单的教学实验。
1.针对MOS IV特性的问题，为了使学生更好的理解MOS IV特性，设计了MOS IV曲线的仿真，让学生更加了解MOS IV特性。
2.针对反相器电路的问题，为了使学生更好的理解反相器电路特性，设计了反相器电路的仿真，让学生更加了解反相器的直流特性和瞬态特性。
3.针对环形振荡器特性的问题，为了使学生更好的理解环形振荡器的特性，设计了环形振荡器的仿真，让学生更加了解环形振荡器的特性。
4.针对共源放大器特性的问题，为了使学生更好的理解共源放大器特性，设计了共源放大器的仿真，让学生更加了解共源放大器特性。
5.针对Wildar电流源的问题，为了使学生更好的理解Wildar电流源，设计了Wildar电流源的仿真，让学生更加了解Wildar电流源特性。
本毕业设计针对一些基本的内容，设计了几个实验。对于本科生在理解知识点有一定的帮助，上课的内容可以及时的得到巩固，并且学生可以拓展自己的实际设计能力。对将来的发展有进一步的提升。
【关键词】基本指令,Cadence；模拟集成电路设计；反相器；环形振荡器；共源放大器； Wildar电流源
第二章 CMOS模拟集成电路设计的
基础实验
本章是有关CMOS模拟集成电路电路设计的器件基础，以基于MOS管和反相器设计一系列实验。先是将研究了集成电路设计的基本单元MOS管的IV特性，紧接着对反相器和反相器组成的环形振荡器的特性进行了探索。
2.1 基本指令简介
命令 作用
1. ls: 检视目录下所有文件。
2. clear: 清除屏幕。
3. pwd: 显示目前工作的目录。
4. cd： 改变目录。
5. rm： 删除文件。
6. cp： 复制文件。
7. mv： 移动文件。
8. mkdir： 建立目录。
9. rmdir： 删除目录。
10. find： 寻找文件。
11. passwd： 改变密码。
12. chfn： 改变全名。
13. finger： 显示使用者信息。
14. rusers： 显示所有使用者。
15. chmod： 改变文件属性（读、写）。
16. df： 查阅硬盘空间
17. du： 查阅文件占用空间
18. kill： 杀进程
19. tar： 压缩解压缩。压缩tar cvf 目录名，解压缩tar xvf 文件名
2.2 MOS的IV曲线仿真
2.2.1 MOS的IV特性
阙值电压：考虑如图2.1(a)所示的NFET当栅压Vg从OV上升时会发生什么情况?由于栅和衬底形成一个电容器，所以当v。;逐渐升高时，p衬底中的空穴被赶离栅区而留下负离子以镜像栅上的电荷。换句话说，就是形成了一个耗尽层(图2.1(b))。在这种情况下，由于没有载流子而无电流流动。
图2.1 (a)由栅压控制的MOSFET; (b)耗尽区的形成;(c)反型的开始;(d)反型层的形成
随着Vg的增加，耗尽层宽度和氧化物与硅界而处的电势也增加。从某种意义上讲，这样的结构类似两个电容的串联:栅氧化层电容和耗尽区电容(图)2.1(c)。当界面电势达到足够高时，电子便从源流向界而并最终流到漏端。这时，源和漏之间的栅氧下就形成载流子“沟道”，同时晶体管“导通”。也称之为界面“反型”。形成沟道所对应的Vg称为“阈值电压”，VTH。如果Vg一步升高，则耗尽区的电荷保持相对恒定，而沟道电荷密度继续增加，导致源漏电流增加。
实际上，导通现象是栅电压的增函数，这就使得明确地定义VTH比较困难。在半导体物理学中，NFET的VTH通常定义为界面的电子浓度等于p型衬底的多子浓度时的栅压。在实际中，由上式得到的“本征”闺值电压可能不适用于电路设计，举例来说，Vth，因而vg≥O时器件不会关断。因此，在器件制造过程中通常通过向沟道区注人杂质来调整阂值电压，其实质是改变氧化层界面附近衬底的掺杂浓度。
IV特性的推导：为了得到MOSFET的漏电流与其端电压之间的关系，做两点分析。首先，分析一个载有电流I的半导体棒。如果沿电流方向的电荷密度是Qd（C/m)，电荷移动速度是v(m/s)，那么 (2.1)
为了理解为什么如此，测量单位时间通过半导体截面的总电荷数。若电荷速度为。，则棒中距离截面。米长度内的所有电荷在一秒内必须通过截面。由于电荷密度是Qd，v米内的总电荷数就是Qdv。这个辅助定理有助于分析半导体器件。
其次，考虑一个源漏都接地的NFET。反型层中的电荷密度为多少?因为假设VGS =Vth时开始反型，那么由栅氧化层电容引起的反型电荷密度正比于VGS-VTH。当VGS≥VTH时，栅电荷必定会被沟道电荷所镜像，从而产生一个均匀的沟道电荷密度（单位长度电荷)，其值等于 (2.2)
式中，Cox与W相乘表示单位长度的总电容。
由于ID沿沟道方向是常数，所以(2 .3)
注意.这里L是有效沟道长度。
图2.3给出了在不同的VGS时根据式(2.3)得出的抛物线，表示了器件的“电流能力”随VGS“的增大而增加。通过计算VID/VGS,每条抛物线的极值发生在Vds =VGS-VTH且峰值电流为
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 模拟集成电路的基本概念 1
1.1 引言 1
1.2模拟集成电路设计的发展背景及其历史 1
1.3 模拟集成电路设计的概述 3
1.3.1模拟集成电路设计的现状和重要性 3
1.3.2模拟集成电路设计教学的难度 4
1.4论文安排 4
1.5本章小结 5
第二章CMOS模拟集成电路设计的基础实验 6
2.1 基本指令简介 6
2.2 MOS的IV曲线仿真 6
2.2.1 MOS的IV特性 7
2.2.2 实验的设计方案 9
2.2.3 MOS的IV曲线实验的步骤和实验仿真的过程 11
2.3 Inverter 瞬态和传输特性的仿真 14
2.3.1 关于Inverter 瞬态和传输特性的基本概念 14
2.3.2 实验的设计方案 16
2.3.3 实验软件运用和仿真结果 17
2.4 inverter 环形振荡器进行瞬态仿真 20
2.4.1环形振荡器 20
2.4.2 环形振荡器仿真实验的设计 21
2.4.3实验结果和软件的使用 21
第三章 集成电路相关的课程设计仿真 25
3.1 共源放大器的设计与仿真 25
3.1.1 共源放大器的基本概念 25
3.1.2 实验的设计思路 26
3.1.3 实验的步骤以及软件运用以及结果 28
3.2 Wildar电流源的设计与仿真 31
3.2.1 Wildar电流源的原理和基本特性: 31
3.2.2 仿真实验的设计思路 31
3.2.3 实验步骤和结果 32
3.2.4实验改进 33
第四章 总结与展望 34
4.1总结 34
4.2展望 34
致 谢 35
参考文献 36
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